发布单位：台北市立天文科学教育馆
2020的诺贝尔物理奖揭晓，其中一半颁给英国数学物理学家Roger Penrose，因其发现黑洞的形成是广义相对论的有力预测。而另一半则由德国天文学家Reinhard Genzel及美国天文学家Andrea Ghez，因发现银河系中心的超大质量黑洞。
当大质量恒星到演化终点，首先引发超新星爆炸，接着塌缩成非常致密的黑洞，其引力强大到连光都逃不出去。要产生黑洞，必须把太阳压缩到3公里小。黑洞是宇宙中最奇特的物体，连爱因斯坦都不相信它真的存在。而Roger Penrose发明了精巧的数学方法来演绎广义相对论，并推论出黑洞的形成和性质。他在1965年所发表的论文，对广义相对论有极重要的贡献。
Roger Penrose提出囚陷曲面（trapped surfaces）这个描述黑洞的数学工具，在其内的光线都指向黑洞中心。借此他证明黑洞中心存在奇异点，时间和空间都会在此消失，而已知的物理定律都无法适用。一旦穿越黑洞的事件视界（event horizon）就不能回头，随着时间流逝所有东西都将掉进奇异点。在广义相对论中，时间和引力有着密切关系，对在地球上的人来说，脚底下时间的流逝比头顶慢一兆分之一秒（GPS定位就是根据此原理）。当你跨越超大质量黑洞的事件视界，并不会有奇怪的事情发生，但事件视界外的人将觉得你花无限久的时间跨越。我们无法看穿事件视界，黑洞的内部将被它遮住。
图说（左）：当大质量恒星因为自身的引力塌缩形成黑洞，所有经过事件视界的东西都会被抓住，连速度最快的光线也无法逃脱。在事件视界，时间取代空间，随着时间流逝，所有的东西将被带向靠近黑洞中心的奇异点。奇异点的密度无限大，时间和空间在此终结。图说（右）：光锥顶点代表现在，箭头指向代表时间方向，而固定时间的平面代表的是空间。未来光锥的范围，是指光从现在起可以传播的范围。由于物体移动不会超过光速，因此其移动的轨迹都包含在光锥的范围里。理论预期当物质塌缩形成黑洞，在事件视界内的光锥其时间方向指向黑洞中心。事件视界外的观察者，只能见到光线慢慢往事件视界推进而不会到达。
虽然无法看穿黑洞，但我们可借由观测它的强大引力对附近恒星运动的影响，来了解它的性质。Reinhard Genzel和Andrea Ghez各自带领研究团队，利用红外线波段来穿透众多星际气体和尘埃，并使用大口径望远镜，对银河系中心的人马座A*进行长期的研究。追踪银河中心的亮星运动轨迹，发现在离中心约1光月的地方，有看不见的大质量物体，拉着恒星快速绕转。其中一颗星（S2）花16年绕转银河系一圈，提出可靠证据，显示在人马座A*附近有超大质量黑洞，约4百万倍太阳质量，挤在仅太阳系尺度的空间里。他们持续不断的研发和精进技术，制造独特的仪器，例如提高感光元件的灵敏度、根据大气扰动自动校正镜面等，使解析度提高了上千倍，得以精确决定恒星的位置。Reinhard Genzel和Andrea Ghez的前瞻性研究，开创了新一代验证广义相对论的方法。
今年的诺贝尔物理奖，揭露了宇宙最黑暗的角落。这是一个全新的开始，当我们望向黑洞的视界，大自然会向我们揭露更多的惊喜。
资料来源：THE NOBEL PRIZE